Die revolutionäre CO2-Umwandlungstechnologie des MIT

Ein Katalysator, gebunden an DNA steigert die Effizienz der elektrochemischen Umwandlung von CO2 in CO, einem Baustein für viele chemische Verbindungen.

MIT Chemieingenieure haben eine effiziente Möglichkeit entwickelt, Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umzuwandeln, einen chemischen Vorläufer, der zur Herstellung nützlicher Verbindungen wie Ethanol und anderer Kraftstoffe verwendet werden kann.

Wenn dieser Prozess für den industriellen Einsatz ausgeweitet wird, könnte er dazu beitragen, Kohlendioxid aus Kraftwerken und anderen Quellen zu entfernen und so die Menge an Treibhausgasen zu reduzieren, die in die Atmosphäre freigesetzt werden.

Chemieingenieure des MIT haben gezeigt, dass sie die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid wesentlich effizienter gestalten können, indem sie DNA verwenden, um einen Katalysator (blaue Kreise) an eine Elektrode zu binden. Bildnachweis: Christine Daniloff, MIT; iStock

Revolutionäre Dekarbonisierungstechnologie

„Dies würde es ermöglichen, Kohlendioxid aus Emissionen oder im Meer gelöstem Kohlendioxid zu gewinnen und es in profitable Chemikalien umzuwandeln. Es ist wirklich ein Weg nach vorn zur Dekarbonisierung, weil wir CO2 aufnehmen können₂ein Treibhausgas, und wandeln es in Dinge um, die für die chemische Herstellung nützlich sind“, sagt Ariel Furst, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen bei Paul M. Cook und leitender Autor der Studie.

Der neue Ansatz nutzt Elektrizität, um die chemische Umwandlung mithilfe eines Katalysators durchzuführen, der durch DNA-Stränge an der Elektrodenoberfläche befestigt ist. Diese DNA fungiert wie ein Klettverschluss, um alle Reaktionskomponenten in unmittelbarer Nähe zu halten, wodurch die Reaktion viel effizienter wird, als wenn alle Komponenten in Lösung schweben würden.

Furst hat ein Unternehmen namens Helix Carbon gegründet, um die Technologie weiterzuentwickeln. Der ehemalige MIT-Postdoc Gang Fan ist der Hauptautor des Artikels, der im erscheint Zeitschrift der American Chemical Society Au. Weitere Autoren sind Nathan Corbin PhD ’21, Minju Chung PhD ’23, die ehemaligen MIT-Postdocs Thomas Gill und Amruta Karbelkar sowie Evan Moore ’23.

CO abbauen₂

Um Kohlendioxid in nützliche Produkte umzuwandeln, muss es zunächst in Kohlenmonoxid umgewandelt werden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung von Elektrizität, aber die für diese Art der Elektrokatalyse erforderliche Energiemenge ist unerschwinglich teuer.

Um diese Kosten zu senken, haben Forscher versucht, Elektrokatalysatoren einzusetzen, die die Reaktion beschleunigen und die Energiemenge reduzieren können, die dem System hinzugefügt werden muss. Ein für diese Reaktion verwendeter Katalysatortyp ist eine Klasse von Molekülen, die als Porphyrine bekannt sind. Sie enthalten Metalle wie Eisen oder Kobalt und ähneln in ihrer Struktur den Hämmolekülen, die Sauerstoff im Blut transportieren.

Bei dieser Art elektrochemischer Reaktion wird Kohlendioxid in einem elektrochemischen Gerät, das eine Elektrode enthält, die die Reaktion antreibt, in Wasser gelöst. Die Katalysatoren sind ebenfalls in der Lösung suspendiert. Dieser Aufbau ist jedoch nicht sehr effizient, da das Kohlendioxid und die Katalysatoren an der Elektrodenoberfläche aufeinander treffen müssen, was nicht sehr oft vorkommt.

Um die Reaktion häufiger ablaufen zu lassen und so die Effizienz der elektrochemischen Umwandlung zu steigern, begann Furst mit der Arbeit an Möglichkeiten, die Katalysatoren an der Oberfläche der Elektrode anzubringen. DNA schien für diese Anwendung die ideale Wahl zu sein.

„DNA ist relativ kostengünstig, man kann sie chemisch modifizieren und man kann die Wechselwirkung zwischen zwei Strängen durch Ändern der Sequenzen steuern“, sagt sie. „Es ist wie ein sequenzspezifischer Klettverschluss mit sehr starken, aber reversiblen Wechselwirkungen, die man kontrollieren kann.“

Um einzelne DNA-Stränge an einer Kohlenstoffelektrode zu befestigen, verwendeten die Forscher zwei „chemische Griffe“, einen an der DNA und einen an der Elektrode. Diese Griffe können zusammengesteckt werden und bilden so eine dauerhafte Verbindung. Anschließend wird eine komplementäre DNA-Sequenz an den Porphyrin-Katalysator gebunden, so dass sich der Katalysator, wenn er der Lösung zugesetzt wird, reversibel an die DNA bindet, die bereits an der Elektrode befestigt ist – genau wie ein Klettverschluss.

Sobald dieses System eingerichtet ist, legen die Forscher ein Potenzial (oder eine Vorspannung) an die Elektrode an, und der Katalysator nutzt diese Energie, um Kohlendioxid in der Lösung in Kohlenmonoxid umzuwandeln. Bei der Reaktion entsteht aus dem Wasser auch eine kleine Menge Wasserstoffgas. Nachdem die Katalysatoren abgenutzt sind, können sie durch Erhitzen des Systems von der Oberfläche gelöst werden, um die reversiblen Bindungen zwischen den beiden DNA-Strängen aufzubrechen, und durch neue ersetzt werden.

Bahnbrechende elektrochemische Umwandlung

Mit diesem Ansatz konnten die Forscher die Faradaysche Effizienz der Reaktion auf 100 Prozent steigern, was bedeutet, dass die gesamte elektrische Energie, die in das System fließt, direkt in die chemischen Reaktionen fließt, ohne dass Energie verschwendet wird. Wenn die Katalysatoren nicht durch DNA gebunden sind, beträgt die Faraday-Effizienz nur etwa 40 Prozent.

Diese Technologie ließe sich relativ leicht für den industriellen Einsatz skalieren, sagt Furst, da die von den Forschern verwendeten Kohlenstoffelektroden viel kostengünstiger seien als herkömmliche Metallelektroden. Zudem sind die Katalysatoren kostengünstig, da sie keine Edelmetalle enthalten und nur eine geringe Konzentration des Katalysators auf der Elektrodenoberfläche benötigt wird.

Durch den Austausch verschiedener Katalysatoren wollen die Forscher versuchen, mit diesem Ansatz auch andere Produkte wie Methanol und Ethanol herzustellen. Auch Helix Carbon, das von Furst gegründete Unternehmen, arbeitet daran, die Technologie für eine mögliche kommerzielle Nutzung weiterzuentwickeln.

Referenz: „Highly Efficient Carbon Dioxide Electroreduction via DNA-Directed Catalyst Immobilization“ von Gang Fan, Nathan Corbin, Minju Chung, Thomas M. Gill, Evan B. Moore, Amruta A. Karbelkar und Ariel L. Furst, 25. März 2024, JACS Au.
DOI: 10.1021/jacsau.3c00823

Die Forschung wurde vom US Army Research Office, dem CIFAR Azrieli Global Scholars Program, der MIT Energy Initiative und dem MIT Deshpande Center finanziert.